Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

Sommersemester 2015

Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

Kapitel 2: DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication) TETRA (Terrestrial Trunked Radio)

ISDN-Referenzpunkte [Wiederholung] Teilnehmer-Installation

R

TE2

T

S TE1

Asl

NT2

ISDN-VSt

U NT1

V LT

TA

R, S, T, U, V = Referenz-Punkte Asl = Anschlussleitung ET = Exchange Termination (Vermittlungsabschluss) LT = Line Termination (Leitungsabschluss) NT1 = Network Termination 1 (Netzabschluss 1) (nur Schicht 1-Funktionen) NT2 = Network Termination 2 (Netzabschluss 2) (für Nebenstellenanlagen) (Schicht 1-,2- und 3-Funktionen: Terminal Controller, PBX, LAN) TA = Terminal Adaptor (Anpassung für nicht ISDN-fähige Endgeräte) TE1 = Terminal Equipment Type 1 (ISDN-Endgerät) TE2 = Terminal Equipment Type 2 (nicht ISDN-fähiges Endgerät) VSt = Vermittlungs-Stelle PuDiMk - 2. DECT / TETRA

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ET

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1

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Protokollarchitektur: ISDNBasisanschluss-Struktur TEn

TE1 3 2 1

7 6 5 4 3 2 1

max. 8 3 2 1

7 6 5 4 3 2 1

B1 B2

S0

D16 PuDiMk - 2. DECT / TETRA

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DECT – Übersicht  DECT (Digital European Cordless Telephone) ist ein von ETSI entwickelter Standard (ETS 300.175-x), für das schnurlose Telefon.  Standard legt die Luftschnittstelle zwischen der Basisstation und dem Mobiltelefon fest.  Um DECT international besser vermarkten zu können, wurde es in „Digital Enhanced Cordless Telecommunication“ umgetauft.  Kenngrößen:       

Frequenz: 1.880-1.900 MHz Kanalzahl: 120 Duplexkanäle Duplexverfahren: TDD (10 ms Rahmenlänge) Multiplexverfahren: FDMA mit 10 Trägerfrequenzen, TDMA mit 2x 12 slots Modulation: digital, Gaußian Minimum Shift Keying (GMSK) Sendeleistung: 10 mW mittlere Leistung (max. 250 mW) Reichweite: max. 200 m in Gebäuden

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DECT – Geschichte 1988: ETSI will europäischen Standard für digitale Schnurlostelefone definieren. Möglichkeiten:   

CT2 (Großbritannien) CT3 (Schweden) Komplett neuer Standard

1991: wichtigste Teile des Standards kommen in die Phase der öffentlichen Kommentierung 1992: Erste DECT-Geräte im Handel (z.B. Gigaset-Serie von Siemens) 1994: Generic Access Protocol (GAP) ermöglicht die Gerätekompatibilität verschiedener Hersteller Heute: Stetige Weiterentwicklung von DECT PuDiMk - 2. DECT / TETRA

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DECT – Architektur  DECT beschreibt ein Mobilfunksystem, bestehend aus 

 

Fixed Part (FP) mit einer oder mehreren Basisstationen (RFP = Radio Fixed Part) und Portable Part (PP), d.h. eine oder mehrere Mobilstation Ein Fixed Part Controller (FPC) steuert den FP im Falle mehrerer RFPs

 DECT stellt nur den Zugang zu anderen Diensten zur Verfügung, nicht den Dienst selbst  Die Verwaltung der Funkressourcen erfolgt durch die Geräte selbst, so dass eine zentrale Funknetzplanung nicht notwendig ist. PuDiMk - 2. DECT / TETRA

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DECT – Fähigkeiten  Einfache Handhabung: Grundausstattung eine Basisstation und eine Mobilstation, erweiterbar durch weitere Mobilstationen  große Verbreitung (DECT-Varianten in über 100 Ländern im Einsatz)  Ausschließlich Definition des Netzzuganges, d. h. DECT ist für alle existierenden Netze und Anwendungen offen      

PSTN ISDN LAN X.25 GSM ... PuDiMk - 2. DECT / TETRA

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Anwendungsbereiche von DECT  Schnurlos-Telefonie (Trend: immer kleinere und leichtere Geräte mit mehr Funktionen und längerer Standby-Zeit)  Datenübertragung (Konkurrenz zu Bluetooth)  Wireless Local Loop (Überbrückung der „letzen Meile“ zum Telefonnetz mit Funk)  Öffentliche Mobilfunknetze (bisher nur Pilotstadium in Finnland und Italien)  Direktverbindung zwischen Mobilteilen (ohne FP, WalkieTalkie-Funktion)

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DECT – Systemarchitektur und Referenzmodell D4 PA

PA

D3 VDB

D2

PT

FT

PT

lokales Netz

= = = = =

D1 globales Netz

FT

FT PT PA HDB VDB

HDB

lokales Netz

Fixed Radio Termination Portable Radio Termination Portable Application Home Data Base Visitor Data Base

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DECT – Referenzmodell C-Ebene

Netzwerkschicht Verbindungssteuerung

Management

Signalisierung

U-Ebene

Anwendungsprozesse

OSI Schicht 3 Verbindungssteuerung

OSI Schicht 2

 Stark angelehnt an das OSI-Referenzmodell  Managementebene schichtenübergreifend  Mehrere Dienste in der C(ontrol)- bzw. U(ser)Plane vorhanden

Medienzugriffssteuerung

Bitübertragungsschicht

OSI Schicht 1 PuDiMk - 2. DECT / TETRA

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DECT – Funkübertragung 

Frequenzbereich   

in Europa 1.880 – 1.900 MHz in China 1.900 – 1.920 MHz in USA und Lateinamerika 1.910 – 1.920 MHz

  

Gaussian Frequency Shift Keying zur Modulation 10 (bzw. 5) Trägerfrequenzen im Kanalabstand von 1.728 kHz (50 kHz) Mittenfrequenzen der 10 Träger (c=0..9):



In den USA wird das Frequenzband 1.910 – 1.920 MHz für den unlizenzierten Betrieb verwendet  

PWT (Personal Wireless Telecommunication) Andere Modulation als in Europa

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Schichtenarchitektur – Physical Layer  Physical Layer 





Modulation/Demodulation des Funkträgers mit einem Bitstrom Erzeugt die physikalische Kanalstruktur mit festem Durchsatz Überwachung der Funkumgebung 

  

Bereitstellung eines Kanals auf Anforderung des MAC-Layers Erkennen eines ankommenden physikalischen Kanals Synchronisation zwischen Sender und Empfänger Bereitstellung von Statusinformationen für die ManagementEntity PuDiMk - 2. DECT / TETRA

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Struktur des DECTZeitmultiplexrahmens 1 Frame = 10 ms

12 Down Slots

Slot

0 0

sync

31 0

A: Netzsteuerung B: Benutzerdaten X: Übertragungsqualität 25,6 kbit/s Simplex Bearer 32 kbit/s

0

guard 420 bit + 52µs Schutzzeit („60 bit“) in 0,4167 ms

419

D field A field

12 Up Slots

387

B field

63 0

Protected Mode

DATA 64

C

16

319 0

DATA

Unprotected Mode

64

X field C

16

3

DATA 64

C

16

DATA 64

C

16

DATA PuDiMk - 2. DECT / TETRA

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Schichtenarchitektur – MAC Layer  MAC Layer 



Erzeugung, Unterhalt und Freigabe von Basisdiensten durch Aktivierung bzw. Deaktivierung von physikalischen Kanälen Multiplexen der logischen Kanaltypen 

 

u. a.: C: Signalisierung, I: Benutzerdaten, P: Paging und Q: Broadcast

Segmentieren/Reassemblieren Fehlerkontrolle und Fehlerkorrektur (Datenabhängig)

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Schichtenarchitektur – DLC Layer  Data Link Control Layer 



Erzeugen und aufrechterhalten einer zuverlässigen Verbindung zwischen dem portablen Gerät und der Basisstation. Zwei DLC-Protokolle in der Kontroll-Ebene (C-Plane): 





Verbindungsloser Broadcast-Dienst: Bietet „Pager“-Funktionalität Lc+LAPC (Link Access Procedure for the C-Plane) Protokoll: Für in-call Signalisierung (ähnlich LAPD für ISDN). Speziell angepasst an den darunterliegenden MAC-Dienst (Segmentlänge entsprechend).

Verschiedene Dienste in der U-Plane spezifiziert:    

 

Null-Dienst: Reicht die MAC-Dienste unmodifiziert nach oben durch. Frame relay: Einfache Paketübertragung Frame switching: Für zeitkritische Paketübertragung Fehlerkorrigierende Übertragung: Mit FEC, für verzögerungs- bzw. zeitkritische Anwendungen Bandbreiten anpassbare Übertragung „Escape“-Dienst: Für zukünftige Erweiterungen des Standards

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Schichtenarchitektur – Network Layer  Network Layer  



Angelehnt an das ISDN (Q.931) und GSM (04.08) Stellt Dienste zur Verfügung, um Ressourcen im zentralen System und im portablen Gerät anzufordern, zu überprüfen, zu reservieren, zu überwachen und freizugeben. Ressourcen sind:  



Solche, die notwendig sind, um eine drahtlose Verbindung zu ermöglichen. Solche, die notwendig sind, um das DECT-System mit einem externen Netzwerk zu verbinden.

Hauptaufgaben:   

Rufüberwachung: Aufbau, Abbau, Aushandeln, Überwachen. Rufunabhängige Dienste: Rufweiterleitung, Rufumleitung, Kostenmangement Mobility Management: Identitäts-Management, Authentifizierung, Aufenthaltsregister-Verwaltung

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DECT – Identifikation Fixed Part  Basisstationen senden ihre Identifikation (Radio Fixed Part Identity, 40 bit) aus 

Globaler Teil (Access Right Identity, 31 – 36 bit) zur Kennzeichnung des Dienstanbieters 





Access Right Class (ARC)  3 bit zur Identifikation des Netztyps (bislang 5 Typen A – E definiert) Access Right Details (ARD)  unterschiedliche lang in Abhängigkeit von ARC, kennzeichnet Hersteller / Provider

Lokaler Teile (Radio Fixed Part Number) zur Identifikation der Basisstation innerhalb eines Verbundes PuDiMk - 2. DECT / TETRA

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DECT – Identifikation Portable Part  In DECT sind 16 Nutzerklassen (Portable User Type PUT) möglich, von denen 7 definiert sind:       

PUT PUT PUT PUT PUT PUT PUT

N: Residential O: Private P: Public Q: Public: General R: Public: GSM S: PSTN, ISDN T: Private: Extended

 Jeder Nutzer identifiziert sich durch eine (lokal) eindeutige International Portable User Identity (IPUI)   

IPUI = PUT + PUN (Portable User Number) Aufbau abhängig von PUT Länge 40 bis 100 bit PuDiMk - 2. DECT / TETRA

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DECT – Signalisierung I  FP sendet Baken (Beacons)     

Identität der Basisstation Synchronisationsinformation Systemfähigkeit Aktuelle Kanalnutzung Paging

 Einbuchen  



Mobilgeräte empfangen Beacon und synchronisieren sich auf Zugangsberechtigung und Anforderungen an Systemmerkmale werden überprüft Im Ruhezustand überprüft PP die Funksituation mindestens alle 30 Sekunden auf allen Kanälen ( Liste freier Kanäle) PuDiMk - 2. DECT / TETRA

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DECT – Signalisierung II  Rufaufbau   









Immer von PP aus Im Fall eines ankommenden Rufs geht ein Paging voraus PP wählt den am wenigsten gestörten Kanal und sendet eine Rufanfrage (Outgoing Call Request) mit Anzahl benötigter Kanäle FP empfängt immer auf unbenutzten Kanälen (Verzögerung maximal 160 ms aufgrund Rahmendauer) FP schickt Bestätigung (Outgoing Call Information) mit einer Liste der von FP aus gesehen besten Kanäle  Pilotverbindung (ausreichend für Telefonie) steht PP sendet eventuell Anforderungen (Physical Channel Request) weiterer Kanäle FP bestätigt diese Anforderungen durch eine Physical Channel Confirmation PuDiMk - 2. DECT / TETRA

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DECT – Sicherheit  Anmelden mit Teilnehmer-Authentifikation basierend auf dem DECT Authentication Module  Authentisierung bei jedem Rufaufbau durch ChallengeResponse-Verfahren    

Jede PP hat eigenen Schlüssel FP schickt Zufallszahl (Challenge) an PP PP berechnet daraus und dem Schlüssel eine Antwort (Response) FP vergleicht diese Antwort mit lokal berechnetem Ergebnis

 Verschlüsselung durch einen bei der Authentisierung separat berechneten Sitzungsschlüssel (nicht verbindlich)

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DECT – Handover  Eine Verbindung wird von einem Kanal auf einen anderen Kanal umgeschaltet  

über die selbe RFP (Intracell Handover) über eine andere RFP (Intercell Handover)

 Handover erfolgt bei Störungen oder Signalabschwächung  

Bewertung der Qualität des A-, X- und Z-Feldes Im Protected Mode wird auch das B-Feld berücksichtigt

 Einleitung des Handovers immer durch PP  FP kann Handover-Wunsch andeuten durch Übertragung der UplinkVerbindungsqualität  Nahtloser (seamless) Handover: für kurze Zeit bestehen zwei Verbindungen in unterschiedlichen Zeitschlitzen

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Dienste über DECT 

Generic Access Profile (GAP)



DECT/GSM Interworking Profile (GIP)







FP wird über A-Schnittstelle an das MSC eines GSM-Netzes angeschlossen, die Protokolle hierzu sind im GIP genormt

ISDN Interworking Profiles (IAP und IIP)  



Grundlegende Zugangsschnittstelle, die von allen DECT-Geräten realisiert werden muss

IAP: FP und PP erscheinen zusammen als ISDN-Endgerät IIP: FP und PP bilden eine Transparente DECT-Verbindung zwischen ISDN-NT und ISDNEndgerät

Radio Local Loop Access Profile (RAP) 

Cordless Terminal Adapter übernimmt die Funkverbindung zum RFP (bis zu 5km ohne Repeater)



Cordless Telephone Mobility Access Profile



Data Service Profiles





Roaming zwischen verschiedenen RFPs Unterschiedliche Profiles für verschiedene Netztechniken und Anwendungen (Ethernet, Multimedia, isochrone Datenübertragung, ...) PuDiMk - 2. DECT / TETRA

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DECT-over-IP  DECT-Access Point (DAP) wird direkt an IPInfrastruktur angeschlossen.  DAP-Controller ist für die Steuerung der DAPs und den Kontakt zum VoIPServer zuständig.  Funktionalität der Endgeräte wird durch http://www.elektronik-kompendium.de/sites/net/bilder/09042211.gif DECT festgelegt. PuDiMk - 2. DECT / TETRA

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DECT CAT-iq  CAT-iq („Cordless Advanced Technology internet and quality“) 

Vorgestellt 2006:  

 

Ziel: Wireless Broadband Home Connectivity vorangetrieben durch das DECT Forum

Internetradio oder RSS-Feeds für DECT-Telefone Verbesserte Sprachqualität durch neue Sprachcodecs (G.726 und G.722)

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DECT – Fazit  DECT-Systeme befinden sich bereits in breitem Einsatz.  DECT-Systeme können als persönliche Kommunikationssysteme in dicht bebauter Umgebung einen hohen Prozentsatz aller Mobilfunkteilnehmer bei ausreichender Funkversorgung erreichen.  Welches Netz hinter der DECT-Luftschnittstelle liegt, ist prinzipiell egal (ISDN, GSM, IP …).  DECT gehört zu IMT 2000 (mit einer Datenrate von bis zu 2,5 MB/s, zukünftig bis zu 15 MB/s).

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TETRA - Terrestrial Trunked Radio  Bündelfunksysteme (trunked radio)     

viele verschiedene Trägerfrequenzen eine Frequenz wird kurzzeitig einem Benutzer/einer Nutzergruppe zugewiesen Taxi-Service, Flottenmanagement, Notfalleinsätze Schnittstellen zu öffentlichen Netzen, Sprach- und Datendienste sehr zuverlässig, schneller Verbindungsaufbau, typischerweise nur lokaler Betrieb

 TETRA - ETSI Standard       

früher: Trans European Trunked Radio bietet Voice+Data und Packet Data Optimized Dienste point-to-point und point-to-multipoint Gruppenrufe, Rundrufe, sehr schneller Gruppenverbindungsaufbau mehrere Frequenzen: 380-400 MHz, 410-430 MHz FDD, DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) ad-hoc und Infrastrukturnetzwerke

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Leistungsmerkmale von TETRA            

Einzelruf (Direct Call) Gruppenkommunikation Kommunikation ohne Netz (Direct Mode, DMO) Notruf verschiedene Prioritäten Rückruf Kurzwahl Datenübertragung, auch mit Kanalbündelung Rufumleitung eindeutige Identifikation der Teilnehmer Ende-zu-Ende-Verschlüsselung für vertrauliche/geheime Inhalte Sperren von gestohlenen/verlorenen Funkgeräten

(http://www.digitaler-bos-funk.de/)

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TETRA - Technik Parameter

Kennwert

Zugriffsverfahren

TDMA 84 (Zeitschlitze pro Träger)

Modulation

P/4 DQPSK

Kanalraster

25 kHz

Duplexabstand

10 MHz

Rufaufbauzeit